Mit Ultraschallwellen das Gehirn untersuchen

So entwickelte die Forschungsgruppe schon vor sechs Jahren in Zusammenarbeit mit Medizinerinnen und Medizinern eine Ultraschallmethode zur Fr¨¹herkennung von Brustkrebs. Neu erforscht das Team nun, wie sich das Gehirn mit Ultraschall untersuchen lassen k?nnte. Mit diesem Verfahren k?nnten die Forschenden und ?rzte dereinst beispielsweise Schlagfanfallpatienten ¨¹berwachen oder Gehirntumore identifizieren.

Im Vergleich zur Computertomographie (CT) oder dem R?ntgen hat Ultraschall einen entscheidenden Vorteil: Das Verfahren ist f¨¹r den K?rper nahezu unsch?dlich. Zudem ist es viel kosteng¨¹nstiger als etwa die Magnetresonanz-Tomographie (MRT). Dar¨¹ber hinaus sind Ultraschallger?te transportabel und k?nnen auch in entlegenen Regionen zum Einsatz kommen. Das Problem ist aber, dass Ultraschall bis anhin nur in Weichteilen gut funktioniert. Ultraschallwellen durch harte Strukturen wie die Sch?deldecke zu bekommen, ist jedoch sehr schwierig, denn der Sch?delknochen reflektiert und d?mpft die Wellen sehr stark.

Patrick Marty entwickelt in seiner Doktorarbeit bei Fichtner mit Unterst¨¹tzung von Christian B?hm, Senior Scientist in der Gruppe Seismologie und Wellenphysik, nun ein Verfahren, das diese Herausforderung ¨¹berwinden soll. Diese Methode soll die Grundlage daf¨¹r liefern, um das Gehirn mit Ultraschall hochaufl?send darzustellen.

Die Forscher entwickeln f¨¹r die Simulation der Wellenausbreitung durch das Gehirn sowohl Algorithmen weiter wie auch ein spezielles Gitternetz, dessen Koordinatenpunkte berechnet werden m¨¹ssen. Herzst¨¹ck ist dabei ein an der ETH Z¨¹rich mit Unterst¨¹tzung des CSCS entwickeltes Softwarepaket namens Salvus. Salvus modelliert die Ausbreitung des kompletten Wellenfeldes (full-waveform) ¨¹ber r?umliche Skalen von einigen Millimetern bis zu Tausenden von Kilometern. ETH-Seismologen nutzen diese Software zur Simulation seismischer Wellen, um beispielsweise das Innere der Erde oder des Mars zu erforschen, sowie f¨¹r die medizinische Bildgebung. Das Softwarepaket verwendet die Spektrale-Elemente-Methode (SEM), die sich besonders zur Simulation der Wellenausbreitung in Medien mit kontrastreichen Material¨¹berg?ngen eignet.

?Im Gegensatz zum herk?mmlichen Ultraschall, der nur die Ankunftszeit der Wellen nutzt, verwenden wir in unseren Simulationen die gesamte Welleninformation?, sagt Patrick Marty. Das heisst, die Form der Welle, deren Frequenz, Geschwindigkeit und Amplitude an jedem Punkt ihrer Ausbreitung fliessen in die Berechnungen ein.

F¨¹r ihr Modell verwenden die Forscher eine MRT-Aufnahme des Gehirns als Referenzbild. Auf dem Supercomputer ?Piz Daint? f¨¹hren sie dann mit unterschiedlichen Parametern Berechnungen durch, bis das simulierte Bild mit dem des MRT ¨¹bereinstimmt.

Mit ihrer Methode erhalten sie anstatt eines f¨¹r den herk?mmlichen Ultraschall ¨¹blichen Graustufenbildes, das keine weiteren Informationen enth?lt, ein quantitatives Bild: Indem die Forscher die Informationen des kompletten Wellenfelds nutzen, lassen sich die physikalischen Eigenschaften des Mediums - die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen durch das Gewebe, deren D?mpfung, aber auch die Dichte des Gewebes ¨C an jedem Punkt im Gehirn korrekt abbilden. Das erm?glicht es schliesslich, das Gewebe zu bestimmen und zu unterscheiden, ob es sich beispielsweise um Gehirnmasse oder Tumorgewebe handelt. Denn von Laborexperimenten kennt man die Dichte, D?mpfung oder Schallwellengeschwindigkeit der unterschiedlichen Gewebearten.

Die Forscher sind ¨¹berzeugt, dass sich mit dieser Methode gesundes Gewebe von krankem schonend und kosteng¨¹nstig unterscheiden l?sst. Konkret k?nnte dieses Verfahren in einen Computer eingespeist werden, der in ein speziell hierf¨¹r entwickeltes Ultraschallger?t integriert wird. Der Computer berechnet die von Sensoren erfassten Ultraschallsignale und heraus kommt ein dreidimensionales Bild des untersuchten Gehirns. Doch bis das Verfahren in die klinische Praxis gelange, sei es noch ein weiter Weg, betonen die Forscher.

Eine besondere Herausforderung ist die, aufgrund von Augen-, Nasen und Kieferh?hlen etc., komplexe Geometrie des Sch?dels, die in der Simulation genau modelliert werden muss, ohne dass dabei die Rechenzeit explodiert. Um dieses Problem zu l?sen, arbeitet Patrick Marty an Methoden, die aus Hexaedern (kleine Elemente mit sechs ebenen Fl?chen) individuelle numerische Gitter f¨¹r beliebige Sch?delformen erstellen. ?Mit diesen verformten kleinen W¨¹rfeln sind wir 100 bis 1000mal schneller, als wenn wir mit Tetraedern arbeiten w¨¹rden?, sagt B?hm. ?Zudem profitiert das Projekt stark von neuen Entwicklungen bei den Graphikkarten, wie wir sie in ¡®Piz Daint¡¯ und k¨¹nftig in ¡®Alps¡¯ haben. Sie sind f¨¹r diese Methode ideal.?

Die Forscher arbeiten mit Medizinerinnen und Medizinern des Unispitals Z¨¹rich zusammen, um diese Techniken weiterzuentwickeln. Wenn es Patrick Marty in den n?chsten drei Jahren seiner Doktorarbeit gelingt, die Verfahren f¨¹r die Gittererstellung und Bildgebung des Gehirns weiterzuentwickeln, k?nnte diese Methode auch f¨¹r andere K?rperteile wie das Knie oder der Ellenbogen anwendbar sein. Dies w?re dann eine vielversprechende Grundlage f¨¹r die Entwicklung eines entsprechenden Ultraschallger?tes.

Dieser Text von Simone Ulmer erschien in Englisch auf der Website des externe Seite CSCS.